周路生，黃 驕，吳 雙，邱曉東，王立仁

(1.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233； 2.上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200233)

核電廠廠用水系統(tǒng)(SWS)利用海水通過設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的熱交換器帶走核島設(shè)備的熱量，達到冷卻的目的[1]。二代及二代加核電廠輸送海水介質(zhì)的管道主要為不銹鋼管道、內(nèi)襯防腐涂層或水泥沙漿的碳鋼管道、鋼筋混凝土管等[2]?；诟呙芏染垡蚁?HDPE)材料良好的耐腐蝕及抗氧化、老化性能，1998年美國卡巴托核電站在常規(guī)的水管系統(tǒng)中首次使用了HDPE管道，運行多年后，管道服役狀態(tài)仍良好。國內(nèi)AP1000三代依托項目(三門和海陽核電機組)廠用水系統(tǒng)(非安全級)已采用外徑為30 inch(1 inch=25.4 mm)的HDPE管道，2017年中廣核大亞灣核電站的循環(huán)水(CFI)系統(tǒng)首次將HDPE管道應(yīng)用到核安全級系統(tǒng)中[3]，另外，CAP1400及CAP1000后續(xù)項目的廠用水系統(tǒng)用到的HDPE管道，其最大壁厚已超過100 mm。目前國內(nèi)已有的行業(yè)標準JB/T 10662-2013 《無損檢測 聚乙烯管道焊縫超聲檢測》 適用于檢測輸送燃氣和自來水介質(zhì)的非核用聚乙烯管道的熔接接頭，即壁厚小于60 mm的聚乙烯管道熱熔接頭。對于核電廠用的大口徑(外徑30 inch以上)、超厚壁(大于90 mm)HDPE管道熱熔接頭，國內(nèi)尚無相應(yīng)的檢測標準。因此，開展核電廠大口徑超厚壁HDPE管道熱熔接頭缺陷的檢測技術(shù)研究尤為必要。

以國內(nèi)某在建三代機組廠用水系統(tǒng)外徑為32 inch的HDPE管道熱熔接頭為研究對象，對其主要聲學(xué)性能參數(shù)(如材料聲速和聲衰減系數(shù))進行研究。HDPE為粘彈性材料，超聲波在該類材料中傳播時能量損失尤為嚴重。相較于縱波，橫波波長較短，穿透能力更差，無法有效穿透厚壁HDPE管道熔接接頭的全厚度范圍，因而通常采用縱波對HDPE材料進行檢測。

1.1 聲速測量

以國內(nèi)某核電供應(yīng)商生產(chǎn)的牌號為PE4710，壁厚為90 mm的HDPE管道母材材料作為試驗對象，在不同溫度下，采用脈沖回波法從試件的各截面進行材料縱波聲速測量試驗，測量結(jié)果如表1所示。由表1可知，核電廠用HDPE材料在10～50 ℃下，其縱波聲速為2 107～2 388 m/s，且聲速隨著材料溫度升高而減小，呈一定的線性變化。

表1 HDPE材料縱波聲速測量結(jié)果

1.2 聲衰減試驗

引起超聲波衰減的主要原因有波束擴散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。HDPE材料類似于超聲探頭的吸聲材料，吸收衰減是其主要的衰減原因。經(jīng)測量得到試件的衰減系數(shù)為0.72 dB·mm-1～0.74 dB·mm-1。該衰減系數(shù)是散射衰減、吸收衰減和擴散衰減的綜合體現(xiàn)。

2 聚焦聲場建模

結(jié)合材料的聲學(xué)性能及國內(nèi)外對HDPE材料的相控陣檢測技術(shù)研究可知，采用水作為液體楔塊可獲得掃查所需的偏轉(zhuǎn)角度，最大可偏轉(zhuǎn)89°。不同偏轉(zhuǎn)角度下HDPE材料和水中聲場軸向方向質(zhì)點的振幅分布如圖1所示。由圖1可知，振幅隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化而變化，焦點處的能量仍較高，焦點范圍逐漸增大時仍可滿足檢測精度的要求。

為提高超聲波主聲束的能量，通常采用低頻探頭來檢測HDPE材料,采用水浸法對HDPE材料管材試件進行檢測。對超聲波在水與HDPE材料雙層介質(zhì)中的聲場分布進行建模分析，建模選擇的相控陣探頭中心頻率為2 MHz，陣元數(shù)量為16，陣元尺寸為10 mm×0.5 mm(長×寬)，陣元間距為0.1 mm，水中聲程為15 mm，其在HDPE材料中的聚焦深度為20 mm，垂直聚焦與偏轉(zhuǎn)聚焦的聲場分布如圖2所示。

圖2 垂直聚焦與偏轉(zhuǎn)聚焦時HDPE材料中的聲場分布

3 熱熔接頭缺陷類型

HDPE熱熔管道接頭熔接過程中出現(xiàn)的缺陷主要分為兩類，一類是外觀缺陷，另一類是熔接工藝缺陷，文章重點分析熔接過程中產(chǎn)生的工藝缺陷。

3.1 冷焊缺陷

管件在熔合過程中接頭熱量不足會導(dǎo)致熔合面局部形成縫隙或局部聚乙烯分子粘結(jié)不牢固，形成熱熔接頭冷焊缺陷，使得熔接接頭性能下降。熱熔接頭冷焊缺陷外觀如圖3所示。帶冷焊缺陷的熱熔接頭外觀良好，服役初期接頭的強度可滿足使用要求，但在服役過程受環(huán)境、工作條件的影響，易出現(xiàn)整體脆斷。冷焊缺陷是熱熔焊縫中最危險的缺陷，也是熱熔接頭檢測中最容易漏檢的缺陷之一。在實際熱熔熔接過程中該缺陷產(chǎn)生的主要原因有：① 熱熔后接頭未完全冷卻便拆除夾具，并給管道接頭施加了一定的力矩，使熔合面的聚乙烯分子因受拉應(yīng)力而粘結(jié)不牢，或因冷卻時間不足而產(chǎn)生未熔合類缺陷；② 熔接后接頭冷卻不均勻使得熔合面局部產(chǎn)生大量微小縮孔，導(dǎo)致熔合面的粘結(jié)強度下降；③ 熔接端面未銑削平整導(dǎo)致凹陷處受熱不足，也可能使得聚乙烯分子的粘結(jié)強度下降。

圖3 熱熔接頭冷焊缺陷外觀

3.2 氣孔、孔洞

熔接過程中，如果接頭處夾雜有較大固體顆粒或局部存在氣體未逃逸出熔合區(qū)，就會形成氣孔或不規(guī)則孔洞。上述缺陷產(chǎn)生的主要原因是聚乙烯管材熔接端面清洗不徹底，材料內(nèi)部存在空氣、端面粘有水珠或管材放置時間過長而吸潮。管材壁厚過大或接頭冷卻過程中散熱不均也易導(dǎo)致熔融區(qū)的中心部位出現(xiàn)收縮，進而形成冷卻縮孔。

3.3 裂紋

熱熔合面局部出現(xiàn)宏觀裂縫或局部分子糾纏不牢靠時，焊接接頭的性能會下降。該類型缺陷比較罕見，但危害較大，屬于重點關(guān)注的缺陷類型。熱熔接頭裂紋缺陷外觀如圖4所示。

圖4 熱熔接頭裂紋缺陷外觀

3.4 熔合面夾雜

熔合面夾雜是指熔合面上的微小水滴或不潔凈雜質(zhì)遺留在焊接面上，導(dǎo)致接頭之間的分子無法糾結(jié)牢固造成熔接接頭性能下降的工藝缺陷，其表現(xiàn)為熔合面的整體失效或大面積不均勻韌性脆斷。

4 相控陣檢測技術(shù)研究

4.1 檢測區(qū)域確定

ASME(美國機械工程師協(xié)會)鍋爐及壓力容器規(guī)范第III卷強制性附錄XXVI規(guī)定了使用的檢測技術(shù)應(yīng)有效覆蓋熱熔接頭熔合中心線兩側(cè)各6 mm的范圍。

4.2 試塊設(shè)計

采用與國內(nèi)某核電廠SWS使用的HDPE管件相同的材料及生產(chǎn)工藝，制作試驗所需的各種類型試塊，重點設(shè)計了聲學(xué)性能試塊、標準試塊、參考試塊和模擬能力驗證試塊等。各類型試塊的說明如下。

(1) 聲學(xué)性能試塊。該試塊用于HDPE材料聲速、衰減系數(shù)等聲學(xué)性能的測試。

(2) HDPE管道標準試塊。該試塊用于校準相控陣超聲檢測探頭的參數(shù)，類似于CSK-IA標準試塊，主要反射體有R35和R70圓弧面及φ0.5 mm 橫通孔，試塊外觀如圖5所示。

圖5 HDPE管道標準試塊外觀

(3) 熱熔接頭參考試塊。根據(jù)國內(nèi)某核電廠SWS管道規(guī)格，設(shè)計加工制作了2種規(guī)格的熱熔接頭參考試塊，其外觀如圖6,7所示。在外徑為10 inch的熱熔接頭試塊中，橫孔直徑分別為0.5,1 mm，孔間距為5 mm。在外徑為32 inch的熱熔接頭試塊中，橫孔直徑分別為1.0,2.0 mm，孔間距為10 mm。最小可檢缺陷尺寸不低于ASME規(guī)范第III卷強制性附錄XXVI要求的1 mm或10%壁厚(取二者的大值)。

圖7 外徑為32 inch的熱熔接頭參考試塊外觀

(4) 模擬能力驗證試塊。依據(jù)ASME規(guī)范第III卷附錄XXVI的要求，用于核電廠核三級HDPE管道的檢測技術(shù)應(yīng)在能力驗證試塊上通過驗證后才可用于現(xiàn)場檢測。試驗根據(jù)ASME規(guī)范對能力驗證試塊的設(shè)計要求，利用缺陷植入技術(shù)制作了HDPE管道模擬缺陷試塊。主要在驗證試塊外表面和中部區(qū)域植入了異質(zhì)材料(分布在30%～90%壁厚間)。

4.3 相控陣探頭定制

根據(jù)前期對HDPE材料聲學(xué)性能參數(shù)的研究結(jié)果可知，要保證超聲波在HDPE材料中有良好的穿透力，應(yīng)在滿足缺陷檢測精度的前提下，盡量采用低頻檢測，以獲得足夠的信噪比和靈敏度余量。為了提高探頭能量，設(shè)計制作了瓦型自聚焦的一維相控陣探頭，具體參數(shù)說明如下。

(1) 采用2.25～5 MHz頻率檢測外徑為8 inch，壁厚為23 mm的小管徑HDPE管道；采用1.5 MHz或更低的頻率來檢測外徑為32 inch，壁厚為110 mm的大口徑厚壁HDPE管道。

(2) 陣元數(shù)量。探頭陣元數(shù)量的選擇與被檢對象的壁厚、檢測設(shè)備的配置及聚焦法則均有較大關(guān)系。隨著晶片陣元數(shù)量的增加，波束主瓣寬度逐漸變窄，聲束指向性得到改善，柵瓣幅值減小。試驗采用16陣元的探頭檢測外徑為8 inch的HDPE熱熔接頭，采用64陣元探頭檢測外徑為32 inch的熱熔接頭。

(3) 陣元寬度。根據(jù)超聲仿真軟件的計算發(fā)現(xiàn)，隨著陣元寬度的增加，主瓣寬度減小，有利于提高聲束指向性和改善聚焦性能，但會產(chǎn)生較多的柵瓣。在探頭尺寸不受限制的情況下，可增大陣元寬度，有利于獲得更好的聚焦效果。

(4) 陣元間距。陣元間距對檢測過程中波束聚焦的指向性和分辨力影響較大。通常隨著陣元間距的增加，主瓣寬度逐漸變窄，聲束指向性增強，但當(dāng)陣元間距大于波長時，聲束將出現(xiàn)明顯柵瓣。

檢測外徑為8 inch和32 inch的HDPE熱熔接頭的相控陣探頭型號分別為2.25L16-12×12-A1和1.5L64-48×12-A2。

4.4 探頭楔塊

HDPE材料的縱波聲速與有機玻璃楔塊材料的聲速基本一致，因而采用有機玻璃作為楔塊材料將無法獲得需要的偏轉(zhuǎn)折射角，不滿足ASME規(guī)范對熱熔接頭全體積覆蓋檢測的要求。通過技術(shù)調(diào)研和方法試驗，最終確定采用水作為聲束偏轉(zhuǎn)介質(zhì)，水中縱波的聲速為1 480 m·s-1，小于HDPE材料的縱波聲速(2 300 m/s)，在理論上可獲得檢測所需的聲束偏轉(zhuǎn)角。

試驗針對定制相控陣探頭的參數(shù)，設(shè)計了多款適用于DN200DN900的HDPE管道熱熔接頭相控陣檢測水楔塊，楔塊采用空腔設(shè)計，將水包裹在楔塊框內(nèi)，通過不斷給楔塊充水來確保楔塊內(nèi)沒有空氣，并保證探頭激發(fā)的超聲信號進入被檢HDPE管件中。定制的水楔塊型號分別為SA1-N68L-AOD8(用于外徑為8 inch的熱熔接頭)和SA2-N68L-AOD32(用于外徑為32 inch的熱熔接頭)。水楔塊外觀如圖8所示。

圖8 相控陣探頭水楔塊外觀

5 檢測試驗

采用定制的相控陣探頭，設(shè)置激活起始陣元和結(jié)束陣元，檢測外徑為8 inch的管道時，聚焦深度設(shè)置為15 mm；檢測外徑為32 inch的管道時，聚焦深度設(shè)置為75 mm。掃描方式為扇形掃查，角度范圍為35°～89°，掃描間距為1°。兩個熱熔接頭參考試塊上橫孔反射體的檢測圖像如圖9,10所示。試驗結(jié)果表明，采用定制的探頭和楔塊可有效發(fā)現(xiàn)試塊內(nèi)不同深度的所有橫孔，缺陷的定位精度、信噪比和靈敏度余量均滿足檢測要求。兩個熱熔接頭參考試塊所有橫孔的檢測數(shù)據(jù)如表2,3所示。

表2 外徑為8 inch熱熔接頭試塊所有橫孔的檢測數(shù)據(jù)

表3 外徑為32 inch熱熔接頭試塊所有橫孔的檢測數(shù)據(jù)

圖9 外徑為8 inch的熱熔接頭試塊上φ 0.5 mm橫孔的檢測圖像

圖10 外徑為32 inch的熱熔接頭試塊上φ1.0 mm橫孔的檢測圖像

6 現(xiàn)場檢測應(yīng)用

受國內(nèi)某核電站委托，采用項目開發(fā)的核電廠用厚壁HDPE熱熔接頭相控陣超聲檢測技術(shù)和掃查裝置,對電站在建廠用水系統(tǒng)32 inch的HDPE管道的10條熱熔接頭進行了抽檢。

6.1 檢測方案

采用型號為1.5L64-48×12-A2的相控陣探頭及配套水楔塊，按照設(shè)置的檢測工藝進行超聲數(shù)據(jù)采集及分析。采用CIVA或儀器配套采集軟件的聲束仿真模塊進行32 inch HDPE管道熱熔接頭相控陣超聲聲束覆蓋范圍仿真，并對檢測工藝的相關(guān)參數(shù)進行確認。采用32 inch熱熔接頭校準試塊上不同深度的φ1 mm橫孔制作TCG(距離-波幅)曲線，采用軟件的自補償修正功能建立基準靈敏度。掃查靈敏度應(yīng)至少在基準靈敏度的基礎(chǔ)上提高14 dB, 在材料結(jié)構(gòu)噪聲太大無法實施檢測的情況下，掃查靈敏度應(yīng)在基準靈敏度的基礎(chǔ)上提高6 dB以上。

由于該技術(shù)采用的是充水式水楔塊，超聲耦合效果是實施現(xiàn)場檢測的關(guān)鍵，檢測時可從3個方面保證耦合效果。首先，調(diào)整掃查裝置的壓緊機構(gòu)和管徑調(diào)節(jié)機構(gòu)，確保帶曲率的相控陣探頭水楔塊與管件外表面耦合良好并有足夠的壓緊力。其次，對除鹽水耦合劑進行消氣泡處理，確保除鹽水在噴水過程中無氣泡附著在探頭和管外壁上。最后，對HDPE管件外表面的不平整進行處理并在掃查前對管外壁進行潤濕。

由于HDPE熱熔接頭存在固有的內(nèi)外表面翻邊的情況，所以檢測過程中，相控陣超聲檢測圖像存在明顯的，有規(guī)律性的幾何結(jié)構(gòu)信號(見圖11)。檢測過程中可以觀察該信號的變化，有效地判斷疑似缺陷信號。

圖11 熱熔接頭的結(jié)構(gòu)反射信號

6.2 檢測結(jié)果

現(xiàn)場檢測結(jié)果表明該技術(shù)和配套裝置可完全滿足現(xiàn)場檢測的要求，主要體現(xiàn)在：① 相控陣探頭與配套充水式楔塊可有效地適應(yīng)HDPE管道不同的表面狀態(tài)，保證超聲信號的穩(wěn)定性；② 可有效發(fā)現(xiàn)HDPE管道熱熔接頭內(nèi)表面翻邊的固有結(jié)構(gòu)信號； ③ 開發(fā)的相控陣檢測工藝優(yōu)化了掃查方式，有效地提高了現(xiàn)場檢測的效率。

7 結(jié)語

研究解決了壁厚大于90 mm的HDPE熱熔接頭全體積范圍缺陷檢測的難題。試驗和現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果均表明開發(fā)的檢測技術(shù)可滿足以下指標：① 缺陷的深度定位精度最大偏差為4.7 mm，小于5%壁厚；② 缺陷檢測精度不低于φ0.5 mm當(dāng)量的橫孔(壁厚小于30 mm)和φ1 mm當(dāng)量的橫孔(壁厚大于90 mm)；③ 缺陷信噪比大于20 dB ，檢測靈敏度余量大于70 dB。